ዜና - የአንቴና ግምገማ፡ የፍራክታል ሜታሰርፋርፋስ እና የአንቴና ዲዛይን ግምገማ

I. መግቢያ
ፍራክታልስ በተለያዩ ደረጃዎች ራሳቸውን የሚመሳሰሉ ባህሪያትን የሚያሳዩ የሂሳብ ነገሮች ናቸው። ይህ ማለት በፍራክታል ቅርፅ ላይ ሲያጉሉ/ሲያጉሉ፣ እያንዳንዱ ክፍሎቹ ከጠቅላላው ጋር በጣም ተመሳሳይ ይመስላሉ፤ ማለትም ተመሳሳይ የጂኦሜትሪክ ቅጦች ወይም መዋቅሮች በተለያዩ የማጉላት ደረጃዎች ይደገማሉ (በምስል 1 ውስጥ የፍራክታል ምሳሌዎችን ይመልከቱ)። አብዛኛዎቹ ፍራክታልስ ውስብስብ፣ ዝርዝር እና ማለቂያ የሌላቸው ውስብስብ ቅርጾች አሏቸው።

ምስል 1

የፍራክታልስ ጽንሰ-ሀሳብ በ1970ዎቹ በሂሳብ ሊቅ ቤኖይት ቢ. ማንዴልብሮት አስተዋውቋል፣ ምንም እንኳን የፍራክታል ጂኦሜትሪ አመጣጥ እንደ ካንተር (1870)፣ ቮን ኮች (1904)፣ ሲርፒንስኪ (1915)፣ ጁሊያ (1918)፣ ፋቱ (1926) እና ሪቻርድሰን (1953) ያሉ የብዙ የሂሳብ ሊቃውንት ቀደምት ሥራን መነሻ አድርጎ ቢወሰድም።
ቤኖይት ቢ. ማንዴልብሮት እንደ ዛፎች፣ ተራሮች እና የባህር ዳርቻዎች ያሉ ውስብስብ መዋቅሮችን ለመምሰል አዳዲስ የፍራክታል ዓይነቶችን በማስተዋወቅ በፍራክታል እና በተፈጥሮ መካከል ያለውን ግንኙነት አጥንቷል። "ፍራክታል" የሚለውን ቃል ከላቲን "ፍራክተስ" ቅጽል "የተሰበረ" ወይም "የተሰበረ" ማለት ሲሆን ይህም ማለት የተሰበረ ወይም ያልተስተካከለ ቁርጥራጮችን ያቀፈ ሲሆን ይህም በባህላዊ የዩክሊዲያን ጂኦሜትሪ ሊመደቡ የማይችሉ መደበኛ ያልሆኑ እና የተበታተኑ የጂኦሜትሪክ ቅርጾችን ለመግለጽ ነው። በተጨማሪም፣ ፍራክታልዎችን ለማመንጨት እና ለማጥናት የሂሳብ ሞዴሎችን እና ስልተ ቀመሮችን አዘጋጅቷል፣ ይህም ምናልባት በጣም ታዋቂ እና በእይታ የሚስብ የፍራክታል ቅርፅ ውስብስብ እና ማለቂያ በሌለው የሚደጋገሙ ቅጦች ያለው (ምስል 1d ይመልከቱ) እንዲፈጠር ምክንያት ሆኗል።
የማንደልብሮት ሥራ በሂሳብ ላይ ተጽዕኖ ያሳደረ ብቻ ሳይሆን እንደ ፊዚክስ፣ የኮምፒውተር ግራፊክስ፣ ባዮሎጂ፣ ኢኮኖሚክስ እና ስነጥበብ ባሉ የተለያዩ ዘርፎችም አፕሊኬሽኖች አሉት። እንዲያውም፣ ውስብስብ እና እራሳቸውን የሚመስሉ መዋቅሮችን የመምሰል እና የመወከል ችሎታቸው ምክንያት፣ ፍራክታሎች በተለያዩ ዘርፎች በርካታ አዳዲስ አፕሊኬሽኖች አሏቸው። ለምሳሌ፣ በሚከተሉት የአጠቃቀም ዘርፎች በስፋት ጥቅም ላይ ውለዋል፣ እነዚህም ሰፊ አተገባበራቸው ጥቂት ምሳሌዎች ናቸው፡
1. የኮምፒውተር ግራፊክስ እና አኒሜሽን፣ ተጨባጭ እና በእይታ ማራኪ የሆኑ የተፈጥሮ መልክዓ ምድሮችን፣ ዛፎችን፣ ደመናዎችን እና ሸካራነቶችን መፍጠር፤
2. የዲጂታል ፋይሎችን መጠን ለመቀነስ የውሂብ መጭመቂያ ቴክኖሎጂ፤
3. የምስል እና የምልክት ሂደት፣ ከምስሎች ባህሪያትን ማውጣት፣ ቅጦችን መለየት እና ውጤታማ የምስል መጭመቂያ እና የመልሶ ግንባታ ዘዴዎችን መስጠት፤
4. ባዮሎጂ፣ የእፅዋትን እድገት እና በአንጎል ውስጥ የነርቭ ሴሎችን አደረጃጀት የሚገልጽ፤
5. የአንቴና ቲዎሪ እና ሜታማቴሪያሎች፣ የታመቀ/ባለብዙ ባንድ አንቴናዎችን እና ፈጠራ ያላቸው ሜታሱፋየሞችን መንደፍ።
በአሁኑ ጊዜ፣ የፍራክታል ጂኦሜትሪ በተለያዩ ሳይንሳዊ፣ ጥበባዊ እና ቴክኖሎጂ ዘርፎች አዳዲስ እና ፈጠራ ያላቸውን አጠቃቀሞች ማግኘቱን ቀጥሏል።
በኤሌክትሮማግኔቲክ (ኢኤም) ቴክኖሎጂ፣ የፍራክታል ቅርጾች ከአንቴናዎች እስከ ሜታማቴሪያሎች እና የድግግሞሽ ምርጫ ገጽታዎች (FSS) ድረስ አነስተኛ መጠን ላላቸው አፕሊኬሽኖች በጣም ጠቃሚ ናቸው። በተለመደው አንቴናዎች ውስጥ የፍራክታል ጂኦሜትሪ መጠቀም የኤሌክትሪክ ርዝመታቸውን ሊጨምር ስለሚችል የሬዞናንት አወቃቀሩን አጠቃላይ መጠን ይቀንሳል። በተጨማሪም፣ የፍራክታል ቅርጾች ራስን የመሰለ ተፈጥሮ ባለብዙ ባንድ ወይም የብሮድባንድ ሬዞናንት አወቃቀሮችን እውን ለማድረግ ተስማሚ ያደርጋቸዋል። የፍራክታል ውስጣዊ ጥቃቅን የማነቃቂያ ችሎታዎች በተለይ ለተለያዩ አፕሊኬሽኖች አንጸባራቂዎችን፣ ደረጃ የተሰጣቸው የድርድር አንቴናዎችን፣ ሜታማቴሪያል አምጪዎችን እና ሜታሰርፋሮችን ለመንደፍ ማራኪ ናቸው። እንደ እውነቱ ከሆነ፣ በጣም ትንሽ የድርድር አባላትን መጠቀም እንደ የጋራ ትስስርን መቀነስ ወይም በጣም ትንሽ የኤለመንት ክፍተት ካላቸው ድርድሮች ጋር መስራት መቻል ያሉ በርካታ ጥቅሞችን ሊያመጣ ይችላል፣ በዚህም ጥሩ የፍተሻ አፈፃፀም እና ከፍተኛ የማዕዘን መረጋጋት ያረጋግጣል።
ከላይ በተጠቀሱት ምክንያቶች፣ የፍራክታል አንቴናዎች እና ሜታሰርፋርፎች በቅርብ ዓመታት ውስጥ ብዙ ትኩረት የሳቡ በኤሌክትሮማግኔቲክ መስክ ሁለት አስደናቂ የምርምር ዘርፎችን ይወክላሉ። ሁለቱም ፅንሰ-ሀሳቦች በገመድ አልባ ግንኙነቶች፣ በራዳር ስርዓቶች እና በስሜት ህዋሳት ውስጥ ሰፊ አፕሊኬሽኖች ያሉት የኤሌክትሮማግኔቲክ ሞገዶችን ለመቆጣጠር እና ለመቆጣጠር ልዩ መንገዶችን ይሰጣሉ። እራሳቸውን የሚመስሉ ባህሪያቸው በመጠን አነስተኛ እንዲሆኑ እና እጅግ በጣም ጥሩ የኤሌክትሮማግኔቲክ ምላሽ እንዲጠብቁ ያስችላቸዋል። ይህ ኮምፓክት በተለይ በቦታ ውስን አፕሊኬሽኖች ውስጥ ጠቃሚ ነው፣ ለምሳሌ እንደ ተንቀሳቃሽ መሳሪያዎች፣ የRFID መለያዎች እና የአየር ማራዘሚያ ስርዓቶች።
የፍራክታል አንቴናዎች እና ሜታሰርፋየሮች አጠቃቀም ገመድ አልባ ግንኙነቶችን፣ ኢሜጂንግ እና የራዳር ስርዓቶችን በእጅጉ ለማሻሻል አቅም አለው፣ ምክንያቱም የተሻሻለ ተግባር ያላቸው የታመቁ፣ ከፍተኛ አፈጻጸም ያላቸውን መሳሪያዎች ስለሚያስችሉ። በተጨማሪም፣ ፍራክታል ጂኦሜትሪ ለቁሳዊ ምርመራ የማይክሮዌቭ ዳሳሾች ዲዛይን ውስጥ እየጨመረ በመምጣቱ፣ በብዙ የድግግሞሽ ባንዶች ውስጥ የመስራት ችሎታው እና አነስተኛ የመሆን ችሎታው ስላለው። በእነዚህ አካባቢዎች ቀጣይነት ያለው ምርምር ሙሉ አቅማቸውን ለማሳካት አዳዲስ ዲዛይኖችን፣ ቁሳቁሶችን እና የማምረቻ ቴክኒኮችን ማሰስ ቀጥሏል።
ይህ ጽሑፍ የፍራክታል አንቴናዎችን እና ሜታሰርፋየሮችን ምርምር እና የአጠቃቀም ሂደት ለመገምገም እና አሁን ያሉትን ፍራክታል ላይ የተመሰረቱ አንቴናዎችን እና ሜታሰርፋየሮችን ለማነፃፀር፣ ጥቅሞቻቸውን እና ገደቦቻቸውን በማጉላት ያለመ ነው። በመጨረሻም፣ ስለ ፈጠራ አንጸባራቂዎች እና ሜታማቴሪያል አሃዶች አጠቃላይ ትንተና ቀርቧል፣ እና የእነዚህ ኤሌክትሮማግኔቲክ መዋቅሮች ተግዳሮቶች እና የወደፊት እድገቶች ተብራርተዋል።

2. ፍራክታልአንቴናንጥረ ነገሮች
የፍራክታል አጠቃላይ ጽንሰ-ሀሳብ ከባህላዊ አንቴናዎች የተሻለ አፈጻጸም የሚሰጡ እንግዳ የሆኑ የአንቴና ክፍሎችን ለመንደፍ ሊያገለግል ይችላል። የፍራክታል አንቴና ክፍሎች መጠናቸው አነስተኛ እና ባለብዙ ባንድ እና/ወይም የብሮድባንድ አቅም ሊኖራቸው ይችላል።
የፍራክታል አንቴናዎች ዲዛይን በአንቴና መዋቅር ውስጥ በተለያዩ ሚዛኖች ላይ የተወሰኑ የጂኦሜትሪክ ቅጦችን መድገምን ያካትታል። ይህ ራሱን የቻለ ንድፍ በተወሰነ አካላዊ ቦታ ውስጥ የአንቴናውን አጠቃላይ ርዝመት እንድንጨምር ያስችለናል። በተጨማሪም፣ የአንቴናው የተለያዩ ክፍሎች በተለያዩ ሚዛኖች እርስ በእርስ ተመሳሳይ ስለሆኑ የፍራክታል ራዲያተሮች በርካታ ባንዶችን ማግኘት ይችላሉ። ስለዚህ፣ የፍራክታል አንቴና ክፍሎች የታመቁ እና ባለብዙ ባንድ ሊሆኑ ይችላሉ፣ ይህም ከባህላዊ አንቴናዎች የበለጠ ሰፊ የድግግሞሽ ሽፋን ይሰጣል።
የፍራክታል አንቴናዎች ጽንሰ-ሀሳብ ከ1980ዎቹ መጨረሻ ጀምሮ ሊመጣ ይችላል። በ1986 ኪም እና ጃጋርድ በአንቴና ድርድር ውህደት ውስጥ የፍራክታል ራስን መመሳሰልን ተግባራዊነት አሳይተዋል።
እ.ኤ.አ. በ1988 የፊዚክስ ሊቅ ናታን ኮሄን የዓለማችን የመጀመሪያውን የፍራክታል ኤለመንት አንቴና ገንብቷል። እራሱን የሚመስል ጂኦሜትሪ ወደ አንቴና መዋቅር በማካተት አፈፃፀሙ እና አነስተኛነት አቅሞቹ ሊሻሻሉ እንደሚችሉ ሀሳብ አቅርበዋል። እ.ኤ.አ. በ1995 ኮሄን በዓለም ላይ የመጀመሪያውን የንግድ ፍራክታል-ተኮር የአንቴና መፍትሄዎችን ማቅረብ የጀመረውን ፍራክታል አንቴና ሲስተምስ ኢንክ.ን በጋራ መስርተዋል።
በ1990ዎቹ አጋማሽ ላይ፣ ፑንቴ እና ሌሎች የሲየርፒንስኪ ሞኖፖል እና ዲፖልን በመጠቀም የፍራክታልስ ባለብዙ ባንድ አቅም አሳይተዋል።
ኮሄን እና ፑዌንቴ ከተሰሩበት ጊዜ ጀምሮ የፍራክታል አንቴናዎች ውስጣዊ ጥቅሞች በቴሌኮሙኒኬሽን መስክ ከተመራማሪዎች እና መሐንዲሶች ከፍተኛ ፍላጎት ስበዋል፣ ይህም የፍራክታል አንቴና ቴክኖሎጂን የበለጠ እንዲመረምር እና እንዲዳብር ምክንያት ሆኗል።
ዛሬ፣ የፍራክታል አንቴናዎች በገመድ አልባ የመገናኛ ስርዓቶች ውስጥ በስፋት ጥቅም ላይ ይውላሉ፣ ለምሳሌ የሞባይል ስልኮችን፣ የዋይፋይ ራውተሮችን እና የሳተላይት ግንኙነቶችን ጨምሮ። እንደ እውነቱ ከሆነ፣ የፍራክታል አንቴናዎች ትናንሽ፣ ባለብዙ ባንድ እና በጣም ቀልጣፋ በመሆናቸው ለተለያዩ ገመድ አልባ መሳሪያዎች እና ኔትወርኮች ተስማሚ ያደርጋቸዋል።
የሚከተሉት አሃዞች በታወቁ የፍራክታል ቅርጾች ላይ የተመሰረቱ አንዳንድ የፍራክታል አንቴናዎችን ያሳያሉ፣ እነዚህም በሥነ-ጽሑፍ ውስጥ ከተብራሩት የተለያዩ ውቅሮች ውስጥ ጥቂቶቹ ምሳሌዎች ናቸው።
በተለይም፣ ምስል 2a በፑዌንቴ ውስጥ የቀረበውን የሲርፒንስኪ ሞኖፖል ያሳያል፣ ይህም ባለብዙ ባንድ አሠራርን ለማቅረብ የሚችል ነው። የሲርፒንስኪ ትሪያንግል የሚፈጠረው በምስል 1ለ እና በምስል 2a ላይ እንደሚታየው ከዋናው ትሪያንግል ማዕከላዊውን የተገለበጠ ትሪያንግል በመቀነስ ነው። ይህ ሂደት በመዋቅሩ ላይ ሶስት እኩል ትሪያንግል ይተዋል፣ እያንዳንዳቸው ከመጀመሪያው ትሪያንግል ግማሽ የጎን ርዝመት አላቸው (ምስል 1ለ ይመልከቱ)። ተመሳሳይ የመቀነስ ሂደት ለቀሩት ትሪያንግልዎች ሊደገም ይችላል። ስለዚህ፣ ሦስቱ ዋና ዋና ክፍሎቹ ከጠቅላላው ነገር ጋር በትክክል እኩል ናቸው፣ ነገር ግን በእጥፍ መጠን፣ ወዘተ። በእነዚህ ልዩ ተመሳሳይነቶች ምክንያት፣ ሲርፒንስኪ በርካታ የድግግሞሽ ባንዶችን ማቅረብ ይችላል ምክንያቱም የተለያዩ የአንቴና ክፍሎች በተለያዩ ሚዛኖች እርስ በእርስ ተመሳሳይ ናቸው። በምስል 2 ላይ እንደሚታየው፣ የቀረበው የሲርፒንስኪ ሞኖፖል በ5 ባንዶች ውስጥ ይሰራል። በምስል 2a ውስጥ ያሉት አምስቱ ንዑስ ጋኬቶች (ክብ መዋቅሮች) እያንዳንዳቸው የጠቅላላው መዋቅር የተመዘነ ስሪት መሆናቸውን ማየት ይቻላል፣ በዚህም በምስል 2ለ ውስጥ ባለው የግብዓት ነጸብራቅ ኮፊሸንት ላይ እንደሚታየው አምስት የተለያዩ የአሠራር ድግግሞሽ ባንዶችን ይሰጣል። ይህ ምስል ከእያንዳንዱ የድግግሞሽ ባንድ ጋር የተያያዙ መለኪያዎችን ያሳያል፣ ይህም በተለካው የግብዓት መመለሻ ኪሳራ (Lr) ዝቅተኛ እሴት ላይ ያለውን የድግግሞሽ እሴት fn (1 ≤ n ≤ 5)፣ አንጻራዊ የመተላለፊያ ይዘት (Bwidth) እና በሁለት ተያያዥ የድግግሞሽ ባንዶች (δ = fn +1/fn) መካከል ያለውን የድግግሞሽ ጥምርታ ያካትታል። ምስል 2ለ የሲየርፒንስኪ ሞኖፖል ባንዶች በየጊዜው በ2 (δ ≅ 2) ሎጋሪዝም እንደሚለያዩ ያሳያል፣ ይህም በፍራክታል ቅርፅ ውስጥ ባሉ ተመሳሳይ መዋቅሮች ውስጥ ካለው ተመሳሳይ የመጠን መለኪያ ሁኔታ ጋር ይዛመዳል።

ምስል 2

ምስል 3a በኮች ፍራክታል ኩርባ ላይ የተመሠረተ ትንሽ ረጅም የሽቦ አንቴና ያሳያል። ይህ አንቴና ትናንሽ አንቴናዎችን ለመንደፍ የፍራክታል ቅርጾችን የቦታ መሙላት ባህሪያትን እንዴት መጠቀም እንደሚቻል ለማሳየት ቀርቧል። እንደ እውነቱ ከሆነ የአንቴናዎችን መጠን መቀነስ የብዙ አፕሊኬሽኖች የመጨረሻ ግብ ነው፣ በተለይም የሞባይል ተርሚናሎችን የሚያካትቱ። የኮች ሞኖፖል የተፈጠረው በምስል 3a ላይ የሚታየውን የፍራክታል የግንባታ ዘዴ በመጠቀም ነው። የመጀመሪያው ድግግሞሽ K0 ቀጥ ያለ ሞኖፖል ነው። የሚቀጥለው ድግግሞሽ K1 የሚገኘው ወደ K0 ተመሳሳይነት ለውጥ በመተግበር ሲሆን ይህም በአንድ ሶስተኛ ልኬት እና በቅደም ተከተል በ0°፣ 60°፣ −60° እና 0° በመዞር ነው። ይህ ሂደት የሚቀጥሉትን ንጥረ ነገሮች Ki (2 ≤ i ≤ 5) ለማግኘት በተደጋጋሚ ይደገማል። ምስል 3a የKoch ሞኖፖል (ማለትም K5) የአምስት ድግግሞሽ ስሪት ከ6 ሴ.ሜ ጋር እኩል የሆነ ቁመት h ያሳያል፣ ነገር ግን አጠቃላይ ርዝመቱ የተሰጠው በቀመር l = h ·(4/3) 5 = 25.3 ሴ.ሜ ነው። ከኮች ኩርባ የመጀመሪያዎቹ አምስት ድግግሞሽ ጋር የሚዛመዱ አምስት አንቴናዎች ተሳክተዋል (ምስል 3a ይመልከቱ)። ሁለቱም ሙከራዎች እና መረጃዎች እንደሚያሳዩት የኮች ፍራክታል ሞኖፖል ባህላዊውን ሞኖፖል አፈፃፀም ሊያሻሽል ይችላል (ምስል 3ለ ይመልከቱ)። ይህ የሚያመለክተው የፍራክታል አንቴናዎችን "በትንሽ መጠን" ማዋሃድ ሲሆን ይህም ውጤታማ አፈፃፀምን በመጠበቅ ወደ ትናንሽ መጠኖች እንዲገቡ ያስችላቸዋል።

ምስል 3

ምስል 4a በካንተር ስብስብ ላይ የተመሠረተ የፍራክታል አንቴና ያሳያል፣ ይህም ለኃይል ማሰባሰብ አፕሊኬሽኖች የሰፋ ባንድ አንቴና ለመንደፍ ያገለግላል። በርካታ ተያያዥ ሬዞናንስን የሚያስተዋውቁ የፍራክታል አንቴናዎች ልዩ ባህሪ ከባህላዊ አንቴናዎች የበለጠ ሰፊ ባንድዊድዝ ለማቅረብ ጥቅም ላይ ይውላል። በምስል 1a ላይ እንደሚታየው፣ የካንተር ፍራክታል ስብስብ ዲዛይን በጣም ቀላል ነው፡ የመጀመሪያው ቀጥተኛ መስመር ይገለበጣል እና በሦስት እኩል ክፍሎች የተከፈለ ሲሆን፣ ከዚያ መሃል ያለው ክፍል ይወገዳል፤ ተመሳሳይ ሂደት ከዚያም በአዲስ በተፈጠሩት ክፍሎች ላይ ተደጋጋሚ በሆነ መልኩ ይተገበራል። የፍራክታል ድግግሞሽ ደረጃዎች ከ0.8–2.2 GHz የአንቴና ባንድዊድዝ (BW) እስኪሳካ ድረስ ይደገማሉ (ማለትም፣ 98% BW)። ምስል 4 የተገነዘበውን የአንቴና ፕሮቶታይፕ (ምስል 4a) እና የግብዓት ነጸብራቅ ኮፊሸንት (ምስል 4ለ) ፎቶግራፍ ያሳያል።

ምስል 4

ምስል 5 የሂልበርት ኩርባ ላይ የተመሠረተ ሞኖፖል አንቴና፣ በማንደልብሮት ላይ የተመሠረተ ማይክሮስትሪፕ ፓች አንቴና እና የኮች ደሴት (ወይም "የበረዶ ፍሌክ") ፍራክታል ፓችትን ጨምሮ የፍራክታል አንቴናዎችን ተጨማሪ ምሳሌዎችን ይሰጣል።

ምስል 5

በመጨረሻም፣ ምስል 6 የተለያዩ የኤለመንቶችን የፍራክታል አቀማመጦችን ያሳያል፣ ይህም የሲርፒንስኪ ምንጣፍ ፕላናር አደራደሮችን፣ የካንተር ቀለበት አደራደሮችን፣ የካንተር መስመራዊ አደራደሮችን እና የፍራክታል ዛፎችን ያካትታል። እነዚህ አደራጆች ስፔንሰር አደራደሮችን ለማመንጨት እና/ወይም ባለብዙ ባንድ አፈፃፀምን ለማሳካት ጠቃሚ ናቸው።